在物理課堂教學(xué)中實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的思考

［摘 要］2014年，國家將全面深化課程改革作為新時代落實立德樹人根本任務(wù)的標志性工程，并把培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)作為基礎(chǔ)教育課程改革的新目標追求。深度學(xué)習(xí)是我國全面深化課程改革、落實核心素養(yǎng)的重要途徑。因此，如何在物理課堂教學(xué)中實現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，成為物理教師亟待解決的一個核心問題。文章結(jié)合“氣體的等溫變化”一課具體闡述如何在物理課堂中實現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。

［關(guān)鍵詞］深度學(xué)習(xí)；物理課堂教學(xué)；等溫變化

［中圖分類號］ G633.7 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-6058（2024）26-0045-04

在近期的高二年級教學(xué)研訓(xùn)活動中，筆者觀摩了兩節(jié)關(guān)于“氣體的等溫變化”的新授課。其中一節(jié)是教學(xué)展示活動中的觀摩課，另一節(jié)是市級青年教師的公開課。筆者全程參與，認真聽課，并做了詳細記錄。結(jié)合專家的點評和深度學(xué)習(xí)的理論思考，筆者對這兩節(jié)課產(chǎn)生了一些個人的心得體會。

以下是這兩節(jié)課的教學(xué)簡錄：

第一節(jié)課：

【任務(wù)1】表述氣體狀態(tài)的變化。

問題情境引入：

師：同學(xué)們請看，（展示上升氣球的動圖）對于氣球中的氣體，我們應(yīng)該怎樣描述它的狀態(tài)？在氣球上升的過程中，壓強、體積、溫度等物理量發(fā)生了什么樣的變化？你們能提供哪些證據(jù)來支持你們的觀點？

學(xué)生活動：以小組討論的形式，將結(jié)論記錄在學(xué)案上。其中一個小組展示了他們的分析證據(jù)：m→，V↑，p↓，T↑，即質(zhì)量（m）保持不變，體積（V）增大，壓強（p）減小，溫度（T）升高。這個結(jié)論是由生活經(jīng)驗和地理學(xué)科知識推出的。

師：接下來，我們再看另一個例子。（展示圖片）老師家新買的汽車，在閑置了兩個月之后輪胎變癟了。汽車輪胎里的氣體發(fā)生了什么變化？你判斷的依據(jù)是什么？

學(xué)生活動：繼續(xù)以小組討論的形式進行活動，并將結(jié)論記錄在學(xué)案上。另一個小組展示并分析證據(jù)：m↓，V↓，p↓，T→，即質(zhì)量（m）減小，體積（V）減小，壓強（[p]）減小，溫度（T）保持不變。這個結(jié)論是結(jié)合生活經(jīng)驗推導(dǎo)出來的。（用時至6分30秒）

【任務(wù)2】選擇與確定實驗器材。

師：我們能否從物理規(guī)律的角度來探究氣體的狀態(tài)？今天，我們就先來討論質(zhì)量和溫度一定時，壓強與體積的關(guān)系。我們把這種變化稱為氣體的等溫變化。

學(xué)生活動：以小組討論的形式分析思考問題，并設(shè)計實驗方案。隨后，他們將實驗裝置圖畫在學(xué)案中。

三個小組分別進行展示分析。第一組：連接注射器和氣球，利用封閉系統(tǒng)保證氣體質(zhì)量m不變。拉動活塞可以改變氣體的壓強和體積，但無法直接獲取壓強的具體數(shù)值。第二組：在裝置中，注射器前方裝有密閉塞，這樣可以確保氣體質(zhì)量m不變。為了保證溫度T不變，將整個裝置放在恒溫箱中。通過拉動活塞可根據(jù)移動的格數(shù)讀出氣體的體積，然而仍無法直接獲取壓強的具體數(shù)值。第三組：在注射器前方裝有密閉塞，可保證氣體質(zhì)量m不變。為了保證溫度T不變，取整個裝置放在恒溫水槽中，拉動活塞，可通過移動的格數(shù)讀出體積。連接一個壓強計可讀取并記錄壓強的變化。

師生繼續(xù)討論，改進、簡化實驗裝置。教室中的溫度計在45分鐘內(nèi)示數(shù)不變，對此可認為教室是一個巨大的恒溫箱，可保證溫度[T]不變。

師：在操作過程中有什么注意事項？

學(xué)生討論交流，教師總結(jié)：實驗操作時手不要碰到針筒部分，且要緩慢拉動活塞。

學(xué)生活動：去除實驗器材保護罩，觀察與自己設(shè)計的裝置是否相同，并注意以下特殊之處：壓強有具體的讀數(shù)可以直接讀出，而體積則是通過單位刻度來估量的，同時練習(xí)讀數(shù)。（用時至22分50秒）

【任務(wù)3】進行實驗探究。

實驗操作：在溫度一定的情況下，測量一定質(zhì)量的氣體的體積V與壓強p的數(shù)值，填寫表格，畫出相應(yīng)的圖像。（用時至35分15秒）

展示兩個小組的結(jié)果并分析：一組畫出了p-V圖像，是一條曲線。學(xué)生觀察到這條曲線的形狀與反比例函數(shù)圖像相似，但某些特征不夠明顯，他們對此并不確定。另一組則畫出了[p-1V]圖像，但圖線并未過原點。（用時至37分10秒）

【任務(wù)四】進行實驗誤差分析。

師：[p-1V]圖像與縱軸的交點表示什么含義？

生1：表示體積無窮大時還有壓強。

師：理論上圖線是過原點的，那么[p-1V]圖像不過原點是什么原因呢？

生2：可能是讀數(shù)有誤差，溫度仍有變化，存在系統(tǒng)誤差。

教師使用了更精密的器材，即傳感器，學(xué)生配合讀數(shù)，再次實驗。

師：此時，我們已經(jīng)基本排除了讀數(shù)誤差，且溫度顯示也未發(fā)生變化，但圖像仍未過原點。仔細觀察實驗裝置發(fā)現(xiàn)，針尖部分存在一些氣體，對這些氣體體積進行補償后發(fā)現(xiàn)，圖像果然更加接近原點。因此，可以認為在誤差允許的范圍內(nèi)，進行氣體體積補償后的[p-1V]圖像將過原點，即[p]與[V]成反比。

教師活動：板書[p∝1V]，[pV=C]或者[p1V1=p2V2]。（用時至43分48秒）

【任務(wù)五】得出實驗結(jié)論。

師：一定質(zhì)量的某種氣體，在溫度不變時其壓強[p]與體積[V]成正比。這一結(jié)論是由英國科學(xué)家玻意耳和法國科學(xué)家馬略特各自獨立發(fā)現(xiàn)的，因此這一定律被稱為玻意耳定律，也叫玻馬定律。

師：大家是否有過這樣的體驗：一個打足氣的足球，在放置半個小時后會變得柔軟？這可能受其他一些因素的影響，比如溫度。我們將在下節(jié)課繼續(xù)探討溫度與壓強之間的關(guān)系。

（下課鈴響，教師宣布下課。用時至45分20秒）

第二節(jié)課：

小實驗引入：在兩個塑料瓶中各放入一個相同的氣球，然后讓兩名學(xué)生比賽吹氣球。令人驚奇的事情發(fā)生了：肺活量大的男同學(xué)無法將氣球吹起，而肺活量小的女同學(xué)卻能夠輕松吹起氣球。這究竟是為什么呢？這節(jié)課，我們一起來探索這個秘密。

【任務(wù)1】表述氣體狀態(tài)的變化。

知識點：氣體的等溫變化

師：節(jié)日慶典活動中放飛了很多氣球（圖片展示），你知道描述氣球內(nèi)的氣體的物理量有哪些嗎？

生1：質(zhì)量，壓強，體積，溫度。

師：若要討論它們之間的關(guān)系，應(yīng)采用什么方法？

生2：控制變量法。

師：很好。下面我們控制質(zhì)量和溫度不變，研究壓強與體積之間的關(guān)系。

【任務(wù)2】選擇與確定實驗器材。

師：請回答以下問題，并討論設(shè)計實驗方案。

（1）如何保持質(zhì)量不變？

（2）怎樣讓體積既容易改變又容易測量？

（3）如何測量氣體的壓強？你能想到什么儀器？

（4）如何保持溫度不變？

學(xué)生回答：（1）將氣體封閉在容器里，可使質(zhì)量保持不變；（2）使用活塞可讓體積既容易改變又容易測量。如注射器，既容易改變氣體體積又容易測量氣體體積。（3）用壓強計。（4）放在一個[T]不變的環(huán)境里。

【任務(wù)3】進行實驗探究。

師：請大家利用課桌上的實驗儀器（如圖1），在溫度一定的情況下，測量一定質(zhì)量的氣體的體積與壓強 數(shù)值，并根據(jù)實驗結(jié)果畫出你認為合理的圖像。

學(xué)生通過充分實驗，填寫設(shè)計好的表格。大部分學(xué)生畫出了[p-V]圖像，同時利用Excel表格輸入數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析，并嘗試擬合出[p-1V]圖像。

師：[p-1V]圖像是否過原點？它應(yīng)該過原點嗎？它現(xiàn)在不過原點的原因是什么？

【任務(wù)4】分析實驗誤差。

師：實驗中存在哪些誤差？我們應(yīng)如何改進？

學(xué)生回答：（1）漏氣。使用密閉性更好的活塞；涂潤滑劑。（2）讀數(shù)有誤差。通過多次測量減小誤差。（3）溫度變化。手不觸摸針筒部分并緩慢拉動活塞。（4）初始體積不能讀出。

教師測出針筒的初始體積為0.8 mL，在進行體積補償后再次畫出[p-1V]圖像，這一圖像更加接近原點。

【任務(wù)5】總結(jié)與討論。

玻意耳定律：在溫度不變的情況下，一定質(zhì)量的某種氣體的壓強[p]與體積[V]成反比。

板書玻意耳定律：[p∝1V]，[pV=C]，[p1V1=p2V2]。

科學(xué)史：玻意耳定律有時又稱為玻馬定律，它由玻意耳和馬略特在互不知情的情況下先后發(fā)現(xiàn)。

拓展閱讀：引導(dǎo)學(xué)生閱讀了解羅伯特·玻意耳的生平簡介以及他如何發(fā)現(xiàn)氣體體積與壓強之間的反比關(guān)系，使他們體會到科學(xué)家堅持不懈、勤奮探索自然規(guī)律的崇高精神。

（任務(wù)1至任務(wù)5用時共25分鐘）

【任務(wù)6】拓展應(yīng)用。

師：（圖片展示）在一個恒溫池中，一串串氣泡由池底慢慢升到水面。氣泡在上升的過程中，體積怎么變化？你能用所學(xué)知識解釋嗎？

生3：由[pV=C]，可知p↓，V↑。

課前引入實驗揭秘：在本次實驗中，女同學(xué)和男同學(xué)拿到的塑料瓶有所不同。男同學(xué)拿到的塑料瓶是密封的，當他們吹氣球時，由于瓶內(nèi)氣體體積減小，壓強隨之增大，因此難以吹起氣球。而女同學(xué)拿到的塑料瓶開有小孔，這使得瓶內(nèi)氣體壓強始終等于大氣壓，所以她能輕松吹起氣球。

教師出示以下思考題，引導(dǎo)學(xué)生深入思考。

[思考題1]如圖2所示，一豎直放置、開口向上的足夠長的粗細均勻的試管，用長度為5 cm的水銀柱將一定質(zhì)量的氣體封閉在管內(nèi)。當氣體的熱力學(xué)溫度為300 K時，氣柱長15 cm，大氣壓強恒為75 cmHg。現(xiàn)把試管順時針緩慢旋轉(zhuǎn)至水平，假設(shè)該過程中氣體的溫度不變，求管內(nèi)氣柱的長度。

學(xué)生分析，教師板書：[p1=75 cmHg+5 cmHg=80 cmHg]，[p2=75 cmHg ]，由[p1V1=p2V2]得[L2=16 cm ]。

[思考題2]如圖3所示，某種自動洗衣機進水時，與洗衣缸相連的細管中會封閉一定質(zhì)量的空氣，通過壓力傳感器感知管中的空氣壓力，從而控制進水量。設(shè)溫度不變，洗衣缸內(nèi)水位升高。思考：細管中被封閉的空氣體積和壓強如何變化？

學(xué)生自主討論分析：體積減小，壓強增大。

教師先展示實際按壓式桶裝水裝置，然后給出思考題3。

[思考題3]已知桶裝水內(nèi)部氣體的壓強等于大氣壓強。上方的氣囊直徑為6 cm，高為8 cm，桶內(nèi)空氣的體積約為232π cm3。當人完全壓下氣囊1次時，桶內(nèi)氣體的壓強增大到原來的多少倍？（不考慮溫度的變化，空氣質(zhì)量一定）

學(xué)生分析，教師板書：[V1=V0+V=πd22h+232π cm3=304π cm3]，[V2=V=232π cm3]，由[p1V1=p2V2]得[p2=3829p1≈1.31p1]。

教師通過視頻展示塑料瓶模擬“炸肺”現(xiàn)象，說明潛泳為什么必須緩慢上浮。

（任務(wù)6用時15分鐘）

（下課鈴響，教師簡單總結(jié)，宣布下課）

深度學(xué)習(xí)這一概念最初由瑞典哥德堡大學(xué)教授馬飛龍和羅杰·賽里歐在1976年于《學(xué)習(xí)的本質(zhì)區(qū)別：結(jié)果和過程》一書中提出。研究表明，深度學(xué)習(xí)相較于淺層學(xué)習(xí)，能夠促使學(xué)生更為主動地探索基本原理，深刻理解知識間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，及提升學(xué)生的批判性思維能力和實際應(yīng)用能力。在當今這個信息爆炸的第四次工業(yè)革命時代，AI技術(shù)和元宇宙等新興技術(shù)正逐步趕超人類智能。傳統(tǒng)的“知識工人”角色已逐漸淡出歷史舞臺，取而代之的是超越機器的“智能創(chuàng)造者”。這一世界形勢的大改變對未來人才的素養(yǎng)提出了新的要求，而深度學(xué)習(xí)正是信息時代教育改革的必然選擇。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我國全面深化課程改革，提出培育學(xué)生核心素養(yǎng)的目標追求，“深度學(xué)習(xí)”應(yīng)運而生。

兩節(jié)課在如何引導(dǎo)學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)方面提供了寶貴的經(jīng)驗：

一、選擇合理的情境素材進行鏈接

在學(xué)生面對陌生、復(fù)雜的問題時，能夠創(chuàng)造性地分析問題并整合資源，形成解決問題的思路，是深度學(xué)習(xí)所追求的目標。這種目標的實現(xiàn)離不開合理的情境素材。第一節(jié)課通過動圖展示節(jié)日慶典上逐漸升空的氣球，有效鏈接學(xué)生的生活實際，讓學(xué)生直觀感受到氣體壓強、體積與溫度三個狀態(tài)參量之間的密切關(guān)系。第二節(jié)課則通過對比小實驗，迅速激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生的認知沖突。學(xué)生親自參與實驗，豐富了感官體驗。第二節(jié)課任務(wù)6“拓展應(yīng)用”中所設(shè)置的幾個思考題均與實際生活密切關(guān)聯(lián)，如洗衣機、按壓式桶裝水、潛水活動等情境，讓學(xué)生面對問題時產(chǎn)生“親切感”和“代入感”。教師應(yīng)當幫助學(xué)生實現(xiàn)知識的有效遷移，使學(xué)生在習(xí)題練習(xí)的過程中不僅掌握物理知識的應(yīng)用方法，還能對生活中的各類現(xiàn)象給出更加科學(xué)的解釋，從而實現(xiàn)自身綜合素養(yǎng)的顯著提升。為達到這一目的，所設(shè)置的情境廣泛鏈接了生產(chǎn)生活、科技前沿、思想道德教育等多個方面。這些情境內(nèi)容的呈現(xiàn)方式也多種多樣，包括圖片、視頻、歷史材料、實驗等，或者是這些形式的融合。然而，值得注意的是情境創(chuàng)設(shè)的初衷是引導(dǎo)學(xué)生解決具體問題并創(chuàng)生新意義，因此我們必須避免使用簡單情境、錯誤情境以及缺乏真實性的情境。

二、通過學(xué)生辨析討論讓思維外顯

兩節(jié)課中，每當一個問題被提出后，都確保給學(xué)生留下了充足的思考時間。教師交錯使用了“有答即評”的快反饋策略和“延遲判斷”以讓思維外顯的策略，特別關(guān)注學(xué)生思路和方法的形成。這樣做，真正有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)力。以第一節(jié)課為例，在設(shè)計等溫變化實驗裝置時，教師事先用保護罩將已有器材封閉起來，而不是直接展示給學(xué)生看或讓他們直接使用。學(xué)生則采用小組討論的形式，各自形成設(shè)計方案。隨后，學(xué)生描述自己的思維過程、設(shè)計方法以及存在的問題和改進的方法。在此過程中，教師沒有給任何一組同學(xué)指出錯誤，而是組織學(xué)生進行深入的交流討論，最終共同歸結(jié)出解決問題的一般思路和方法。在課堂上，當學(xué)生持有不同意見和想法時，教師應(yīng)給予他們機會進行表達，使他們的思維得以外顯，同時讓他們進一步辨析和討論。學(xué)生討論的過程本質(zhì)上是再思考、再創(chuàng)造的過程，是互相啟迪的過程，這一過程擴充了思維容量，加大了思維深度，提升了學(xué)生的思維品質(zhì)。

三、設(shè)計挑戰(zhàn)性問題促進深度互動

兩節(jié)課不約而同地設(shè)計了逐層遞進的學(xué)習(xí)任務(wù)，促使學(xué)生與任務(wù)、教師、同學(xué)進行深度互動。這些任務(wù)圍繞“氣體的等溫變化”這一核心展開，從表述氣體狀態(tài)的變化到選擇與確定實驗器材，再到進行實驗探究、進行誤差分析、得出實驗結(jié)論，逐步引導(dǎo)學(xué)生提出問題、分析問題、提出方案、實踐檢驗、溝通交流并最終解決問題。在任務(wù)的完成過程中，教師適時質(zhì)疑或引導(dǎo)學(xué)生質(zhì)疑，促使學(xué)生多角度、深層次思考，完善設(shè)計方案并拓展思路。學(xué)生之間的討論激發(fā)了思維碰撞的火花，他們在相互傾聽、爭論辨析中開闊思路，逐步形成了批判性思維和創(chuàng)新思維。

綜上所述，深度學(xué)習(xí)是師生共同經(jīng)歷的一場智慧之旅，它不僅僅是將“滿堂灌”變?yōu)椤皾M堂問”，而是通過鏈接合理的情境素材，讓學(xué)生在解答挑戰(zhàn)性問題的過程中外顯思維，不斷解決問題和創(chuàng)生意義，最終實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目標。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 劉月霞，郭華.深度學(xué)習(xí)：走向核心素養(yǎng)：理論普及讀本[M].北京：教育科學(xué)出版社，2018.

[2] 蘇文翊.物理模型教學(xué)在高三物理復(fù)習(xí)中的實踐研究[J].數(shù)理天地（高中版），2023（22）：57-59.

（責任編輯 黃春香）